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◎学习目标
- 理解模 \(n\) 同余关系:\(a \equiv b \pmod{n}\) 的两种等价刻画——整除性(\(n \mid (a-b)\))与余数相同;
- 掌握剩余类的概念:\(\bar{a}\) 表示所有与 \(a\) 模 \(n\) 同余的整数构成的集合,理解 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}=\{\bar{0},\bar{1},\dots,\overline{n-1}\}\) 是对整数集的一个划分;
- 理解并验证加法和乘法运算定义的合理性:若 \(\bar{a}=\bar{c}\)、\(\bar{b}=\bar{d}\),则 \(\overline{a+b}=\overline{c+d}\)、\(\overline{ab}=\overline{cd}\);
- 确认 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 关于上述运算构成一个有单位元的交换环,零元为 \(\bar{0}\),单位元为 \(\bar{1}\);
- 掌握关键定理:\(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\) 当且仅当 \(p\) 为素数时是域,合数 \(n\) 时 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 必含有零因子而非域。
1同余关系与剩余类 ⏱ 00:02
从星期几这个日常问题引入。今天是星期三,过了 7 天又是星期三;过了 355 天是星期几?只需看 355 模 7 余几:\(355 = 7 \times 50 + 5\),余 5,于是星期三加 5 天 = 星期一。
等价地,\(a \equiv b \pmod{n}\) 当且仅当 \(a\) 和 \(b\) 除以 \(n\) 所得的余数相同(取余数在 \(\{0,1,\dots,n-1\}\) 范围内)。
- 自反性:\(a \equiv a \pmod{n}\)(因为 \(n \mid 0\));
- 对称性:若 \(a \equiv b \pmod{n}\),则 \(b \equiv a \pmod{n}\);
- 传递性:若 \(a \equiv b \pmod{n}\) 且 \(b \equiv c \pmod{n}\),则 \(a \equiv c \pmod{n}\)。
验证:同余对加法和乘法的兼容性
若 \(a \equiv c \pmod{n}\) 且 \(b \equiv d \pmod{n}\),即 \(n \mid (a-c)\)、\(n \mid (b-d)\),则
两式相加得 \( (a+b) - (c+d) = n(k_1+k_2) \),故 \(a+b \equiv c+d \pmod{n}\)。⏱ 04:21
两式相乘(略作变形)可得 \(ab \equiv cd \pmod{n}\),证明思路相同。⏱ 06:21
这 \(n\) 个剩余类把整数集 \(\mathbb{Z}\) 划分为 \(n\) 个互不相交的子集,构成 商集(quotient set)。\(\bar{a} = \bar{c}\) 当且仅当 \(a \equiv c \pmod{n}\)。⏱ 10:14
2剩余类环的加法与乘法定义 ⏱ 10:50
既然剩余类本身不是数,如何定义它们的运算?从星期几的例子得到启发:
运算定义的合理性验证(良定性)
必须验证:若 \(\bar{a}=\bar{c}\)、\(\bar{b}=\bar{d}\),则 \(\overline{a+b}=\overline{c+d}\) 且 \(\overline{ab}=\overline{cd}\)。⏱ 11:29
\(\bar{a}=\bar{c}\) 等价于 \(a \equiv c \pmod{n}\);\(\bar{b}=\bar{d}\) 等价于 \(b \equiv d \pmod{n}\)。由同余的可加性和可乘性(上一节已证),即得 \(\overline{a+b}=\overline{c+d}\)、\(\overline{ab}=\overline{cd}\)。⏱ 12:46
因此运算定义不依赖于代表元的选取,是合理的(良定的)。
3\(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 构成环 ⏱ 15:45
- 加法零元(加法单位元):\(\bar{0}\);
- 任意元 \(\bar{a}\) 的加法负元:\(\overline{-a}\);
- 乘法单位元:\(\bar{1}\)(满足 \(\bar{1}\cdot\bar{a} = \bar{a}\) 对所有 \(\bar{a}\) 成立);
- 加法满足交换律与结合律;乘法满足结合律;乘法对加法满足左右分配律。
验证要点
加法交换律:\(\bar{a}+\bar{b} = \overline{a+b} = \overline{b+a} = \bar{b}+\bar{a}\)(由整数加法交换律立即推出)。
加法结合律:\((\bar{a}+\bar{b})+\bar{c} = \overline{a+b}+\bar{c} = \overline{(a+b)+c} = \overline{a+(b+c)} = \bar{a}+\overline{b+c} = \bar{a}+(\bar{b}+\bar{c})\)。
分配律:\(\bar{a}\cdot(\bar{b}+\bar{c}) = \overline{a(b+c)} = \overline{ab+ac} = \overline{ab}+\overline{ac} = \bar{a}\bar{b}+\bar{a}\bar{c}\)(用整数分配律)。
乘法交换律:\(\bar{a}\bar{b}=\overline{ab}=\overline{ba}=\bar{b}\bar{a}\)。⏱ 16:02
以上全部性质均由整数的相应性质"lift"(提升)而来,因为运算定义本身就是基于代表元的整数运算。
4\(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 何时为域? ⏱ 18:07
先看几个小例子:
| 模数 \(n\) | \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) | 是否域? | 原因 |
|---|---|---|---|
| \(n=2\) | \(\{\bar{0},\bar{1}\}\) | 是 | \(\bar{1}\) 非零且可逆(\(\bar{1}^2=\bar{1}\)) |
| \(n=3\) | \(\{\bar{0},\bar{1},\bar{2}\}\) | 是 | \(\bar{2}\cdot\bar{2}=\bar{4}=\bar{1}\),每个非零元可逆 |
| \(n=4\) | \(\{\bar{0},\bar{1},\bar{2},\bar{3}\}\) | 否 | \(\bar{2}\cdot\bar{2}=\bar{4}=\bar{0}\),\(\bar{2}\) 是非零零因子,不可逆 |
| \(n=6\) | \(\{\bar{0},\bar{1},\bar{2},\bar{3},\bar{4},\bar{5}\}\) | 否 | \(\bar{2}\cdot\bar{3}=\bar{6}=\bar{0}\),\(\bar{2},\bar{3}\) 均为零因子 |
证明:\(p\) 为素数 \(\Rightarrow\) \(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\) 是域
前提:已知 \(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\) 是有单位元的交换环,单位元 \(\bar{1}\neq\bar{0}\)(因 \(p\geq 2\))。只需证每个非零元均可逆。⏱ 18:09
任取 \(\bar{a}\neq\bar{0}\),即 \(1\leq a\leq p-1\)。因 \(p\) 是素数,\(p\) 不整除 \(a\),故 \(\gcd(a,p)=1\)(\(a\) 与 \(p\) 互素)。
由贝祖等式(Bezout 定理),存在整数 \(u,v\) 使得
在 \(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\) 中考察:\(vp = \bar{0}\)(因 \(p\mid vp\)),故
因此 \(\bar{a}\) 的逆元为 \(\bar{u}\),每个非零元均可逆,\(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\) 是域。证毕。⏱ 20:29
反向:若 \(n\) 为合数,则 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 不是域
设 \(n=ab\),其中 \(1<a,b<n\)。则 \(\bar{a}\neq\bar{0}\)、\(\bar{b}\neq\bar{0}\),但
\(\bar{a}\)、\(\bar{b}\) 都是零因子(non-zero zero divisors),故 \(\bar{a}\) 不可逆(若 \(\bar{a}\bar{x}=\bar{1}\),两边乘 \(\bar{b}\) 得矛盾)。⏱ 22:47
- \(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\)(\(p\) 素数)是有限域,又称伽罗瓦域\(\mathbb{F}_p\),恰含 \(p\) 个元素;
- \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\)(\(n\) 合数)不是域,其非零元素中存在零因子;
- 实数域 \(\mathbb{R}\)、有理数域 \(\mathbb{Q}\) 等无限域的特征为 0,而 \(\mathbb{F}_p\) 的特征为 \(p\)(见 P84)。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 混淆剩余类 \(\bar{a}\) 与整数 \(a\):\(\bar{a}\) 是整数集的一个子集(等价类),不是普通的整数;运算定义必须经过"良定性"验证后才可使用。
- 误以为所有 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 都是域:只有 \(n\) 为素数时才构成域;\(n=4,6,8,9,\dots\) 时均有零因子,不构成域。
- 错误计算负元:\(\bar{a}\) 的加法负元是 \(\overline{-a}\),在 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 中通常写成 \(\overline{n-a}\)(因为 \(\overline{-a}=\overline{n-a}\))。
- 忽略零因子的存在会破坏消去律:在 \(\mathbb{Z}/4\mathbb{Z}\) 中 \(\bar{2}\cdot\bar{2}=\bar{0}\),由 \(\bar{2}\bar{x}=\bar{2}\bar{y}\) 不能推出 \(\bar{x}=\bar{y}\)。
- 混淆 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 与 \(\mathbb{Z}_n\):两种记号含义相同,但 \(\mathbb{Z}_n\) 在某些教材中也指 \(n\)-进数,注意上下文区分。
✎自测与作业
- 验证 \(\mathbb{Z}/5\mathbb{Z}=\{\bar{0},\bar{1},\bar{2},\bar{3},\bar{4}\}\) 中每个非零元的乘法逆元:分别求出 \(\bar{1}^{-1},\bar{2}^{-1},\bar{3}^{-1},\bar{4}^{-1}\)。
- 在 \(\mathbb{Z}/6\mathbb{Z}\) 中找出所有零因子,并验证它们不可逆。
- 用 Bezout 等式方法求 \(\mathbb{Z}/7\mathbb{Z}\) 中 \(\bar{3}\) 的逆元(即找 \(u\) 使 \(3u\equiv 1\pmod{7}\))。
- 证明:若 \(n\) 为合数,则 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 中必存在非零元 \(\bar{a}\) 使得 \(\bar{a}\) 不是单位(不可逆)。
- (思考题)证明:在 \(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\)(\(p\) 素数)中,多项式方程 \(x^{p}-x=0\) 对每个元素都成立(Fermat 小定理的剩余类环表述)。
- (选做)利用 \(\mathbb{Z}/7\mathbb{Z}\) 的运算表计算 \(\bar{3}\cdot\bar{5}+\bar{2}\) 与 \((\bar{3}+\bar{2})\cdot\bar{5}\),验证分配律在此有限环中依然成立。